Thermische werking van stroom, stroomdichtheid en hun invloed op de verwarming van geleiders

Onder de thermische werking van een elektrische stroom wordt verstaan ​​het vrijkomen van thermische energie tijdens het doorlaten van stroom door een geleider. Wanneer een stroom door de geleider stroomt, botsen de vrije elektronen die de stroom vormen met de ionen en atomen van de geleider en verwarmen deze.

De hoeveelheid afgegeven warmte kan in dit geval worden bepaald met behulp van Joule-Lenz Law, die als volgt is geformuleerd: de hoeveelheid warmte die vrijkomt tijdens de doorgang van elektrische stroom door de geleider is gelijk aan het product van het kwadraat van de stroom, de weerstand van deze geleider en de tijd die nodig is om de stroom door de geleider te laten gaan.

Als we de stroom in ampères, de weerstand in ohm en de tijd in seconden nemen, krijgen we de hoeveelheid warmte in joules. En gezien het feit dat het product van de stroom en de weerstand de spanning zijn, en het product van de spanning en de stroom het vermogen is, blijkt dat de hoeveelheid warmte die in dit geval wordt afgegeven gelijk is aan de hoeveelheid elektrische energie die naar deze geleider wordt overgedragen tijdens de doorgang van stroom erdoorheen. Dat wil zeggen, elektrische energie wordt omgezet in warmte.

De ontvangst van thermische energie uit elektrische energie wordt sinds de oudheid op grote schaal gebruikt in verschillende technieken. Elektrische kachels, zoals kachels, waterverwarmers, elektrische kachels, soldeerbouten, elektrische ovens, enz., Evenals elektrisch lassen, gloeilampen en nog veel meer, gebruiken dit principe om warmte te genereren.

Maar in een groot aantal elektrische apparaten is verwarming veroorzaakt door stroom schadelijk: elektrische motoren, transformatoren, draden, elektromagneten, enz. - in deze apparaten die niet zijn ontworpen om warmte te ontvangen, verwarming vermindert hun efficiëntie, interfereert met een efficiënte werking en kan zelfs leiden tot noodsituaties.

Voor elke geleider, afhankelijk van de omgevingsparameters, is een bepaalde acceptabele waarde van de stroomwaarde karakteristiek waarbij de geleider niet merkbaar opwarmt.

Gebruik bijvoorbeeld de parameter om bijvoorbeeld de toelaatbare stroombelasting op de draden te vinden "Huidige dichtheid", karakteristiek van de stroom per 1 vierkante mm van het dwarsdoorsnede-oppervlak van deze geleider.

De toelaatbare stroomdichtheid voor elk geleidend materiaal onder bepaalde omstandigheden is verschillend, het hangt af van vele factoren: van het type isolatie, koelsnelheid, omgevingstemperatuur, dwarsdoorsnede, enz.

Voor elektrische machines, waarbij de wikkelingen in de regel van koper zijn gemaakt, mag de maximaal toelaatbare stroomdichtheid niet meer bedragen dan 3-6 ampère per vierkante mm. Voor een gloeilamp, en meer bepaald voor zijn wolfraamgloeidraad, niet meer dan 15 ampère per m².

Voor draden van verlichting en stroomnetwerken wordt de maximaal toelaatbare stroomdichtheid genomen op basis van het type isolatie en het dwarsdoorsnedeoppervlak.

Als het materiaal van de geleider koper is en de isolatie rubber is, is met een doorsnede van bijvoorbeeld 4 vierkante mm een ​​stroomdichtheid van niet meer dan 10,2 ampère per vierkante mm toegestaan, en als de doorsnede 50 vierkante mm is, is de toelaatbare stroomdichtheid alleen 4,3 ampère per vierkante mm Als de geleiders van het aangegeven gebied geen isolatie hebben, zijn de toelaatbare stroomdichtheden respectievelijk 12,5 en 5,6 ampère per vierkante mm.

Wat is de reden voor het verlagen van de toelaatbare stroomdichtheid voor geleiders met een grotere doorsnede? Het feit is dat geleiders met een aanzienlijk dwarsdoorsnedeoppervlak, in tegenstelling tot geleiders met een kleine doorsnede, een groter volume geleidend materiaal binnenin hebben en het blijkt dat de binnenste lagen van de geleider zelf zijn omgeven door verwarmingslagen die interfereren met de verwijdering van warmte van binnenuit.

Hoe groter het oppervlak van de geleider ten opzichte van zijn volume, hoe hoger de stroomdichtheid die de geleider kan weerstaan ​​zonder oververhitting. Niet-geïsoleerde geleiders maken verwarming tot een hogere temperatuur mogelijk, omdat warmte rechtstreeks van hen naar de omgeving wordt overgedragen, isolatie dit niet belemmert en koeling sneller is, daarom is een hogere stroomdichtheid voor hen toegestaan ​​dan voor geleiders in isolatie.

Indien overschreden toelaatbare stroom voor de geleider, het begint oververhit te raken en op een gegeven moment zal de temperatuur buitensporig zijn. Isolatie van de wikkeling van een elektromotor, generator of alleen bedrading kan onder dergelijke omstandigheden verkoold raken of ontbranden, wat kan leiden tot kortsluiting en brand. Als we het hebben over een niet-geïsoleerde draad, dan kan deze bij hoge temperatuur eenvoudig smelten en het circuit breken waarin het als geleider dient.

Het overschrijden van de toelaatbare stroom wordt meestal voorkomen. Daarom worden in elektrische installaties meestal speciale maatregelen genomen om de stroombron dat deel van het circuit of de elektrische ontvanger waarin het gebeurde automatisch los te koppelen van de stroombron overstroom of kortsluiting. Gebruik hiervoor stroomonderbrekers, zekeringen en andere apparaten met een vergelijkbare functie - om het circuit te onderbreken tijdens overbelasting.

Uit de Joule-Lenz-wet volgt dat oververhitting van een geleider niet alleen kan optreden als gevolg van overmatige stroom door zijn dwarsdoorsnede, maar ook vanwege een hogere weerstand van de geleider. Om deze reden, voor de volledige en betrouwbare werking van elke elektrische installatie, is weerstand uiterst belangrijk, vooral op de plaatsen waar individuele geleiders met elkaar zijn verbonden.

Als de geleiders niet goed zijn verbonden, als hun contact met elkaar niet van hoge kwaliteit is, dan is de weerstand bij de kruising (de zogenaamde contact weerstand) zal hoger zijn dan voor een integraal gedeelte van een geleider van dezelfde lengte.

Als gevolg van de doorgang van stroom door een dergelijke slechte, niet voldoende dichte verbinding, zal de plaats van deze verbinding oververhit raken, die is beladen met vuur, doorbranden van geleiders of zelfs een vuur.

Om dit te voorkomen, zijn de uiteinden van de aangesloten geleiders betrouwbaar gepeld, vertind en uitgerust met kabelschoenen (gesoldeerd of geperst) of hulzen die een marge bieden voor de overgangsweerstand op het contactpunt. Deze tips kunnen met bouten stevig op de klemmen van een elektrische machine worden bevestigd.

Voor elektrische apparaten die zijn ontworpen om de stroom in en uit te schakelen, worden ook maatregelen genomen om de overgangsweerstand tussen de contacten te verminderen.

Zie ook over dit onderwerp:

Hoe bedrading te beschermen tegen overbelasting en kortsluiting

Dwarsdoorsnede-oppervlak van draden en kabels, afhankelijk van de huidige sterkte, berekening van de vereiste kabeldoorsnede